分布式光纤光栅传感系统的研究

论文摘要

当前,单点光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感技术在传感器领域中发展极为迅速,然而在一些大型工程及结构监测中常常需要大量的传感器,比如对飞机结构进行监控需要近5000个传感器,这是单点光纤光栅传感技术所无法实现的。基于这种现状,人们开始关注分布式光纤光栅传感技术的研究。本文首先介绍了FBG的传感理论模型,用数值模拟的方法分析了FBG的结构参量对其频谱特性的影响,研究了FBG的温度传感原理,并对中心波长为1549nm的裸单模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究。实验结果表明该光栅的Bragg波长变化量与温度变化量之间存在着良好的线性关系,与理论分析相当吻合。接着,介绍了探测器对分布式传感信号的分辨条件,给出了多点温度传感原理的数学表达式,并分析了由光源带宽决定的系统实际复用能力。通过对由三个FBG（Bragg波长分别为1549nm,1550nm,1551nm）串联组成的线型传感阵列进行温度传感实验,发现实验系统无串扰现象,并且实验系统的一条支路最多可串接39个FBG传感器。通过损耗模拟距离的实验方法分析了距离在分布式传感系统中的影响,并得出本实验系统的可靠传输距离约为50km。最后综述了当今国内外常用的FBG波长解调方法及其复用网络波长解调技术,设计了一种基于可调谐F-P滤波器的分布式光纤光栅传感解调系统,对其光路和电路硬件系统进行了具体的描述。其中解调电路包括:光电信号检测电路、基于单片机的信号处理电路、可调谐光纤F-P滤波器驱动扫描电路等。指出了系统存在的可进一步改进的部分,并且给出了解决存在问题的方法和措施的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤传感技术的特点及发展状况
• 1.2 光纤光栅传感技术的特点及发展趋势
• 1.3 光纤光栅传感解调及复用技术的发展状况
• 1.4 光纤光栅传感实用化的技术难点
• 1.5 论文的主要内容及结构安排
• 2 光纤光栅的传感理论与实验
• 2.1 光纤光栅的理论模型
• 2.2 光纤光栅的数值模拟及频谱分析
• 2.2.1 光栅长度对反射谱的影响
• 2.2.2 折射率调制和长度对光纤光栅带宽的影响
• 2.2.3 折射率调制对反射谱的影响
• 2.3 光纤光栅的类型
• 2.3.1 均匀周期光纤布喇格光栅
• 2.3.2 线性啁啾光纤光栅
• 2.3.3 切趾光纤光栅
• 2.3.4 莫尔光纤光栅
• 2.3.5 闪耀光纤光栅
• 2.4 光纤光栅的写入技术
• 2.4.1 纵向驻波写入法
• 2.4.2 横向全息写入法
• 2.4.3 相位掩模复制法
• 2.4.4 逐点写入法和在线写入法
• 2.5 光纤光栅的传感原理
• 2.5.1 光纤光栅的温度传感原理
• 2.5.2 光纤光栅的温度传感特性实验
• 2.6 本章小结
• 3 光纤光栅阵列的传感理论与实验
• 3.1 光纤光栅阵列的传感原理
• 3.2 光纤光栅阵列温度传感实验
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验结果与分析
• 3.3 光纤光栅阵列传感距离测试实验
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4 分布式光纤光栅传感网络复用解调技术
• 4.1 分布式光纤光栅传感网络复用技术概述
• 4.1.1 波分复用
• 4.1.2 时分复用
• 4.1.3 空分复用
• 4.2 几种典型的分布式光纤光栅传感网络解调技术
• 4.2.1 分布式匹配光栅滤波解调
• 4.2.2 可调谐光纤F-P滤波器检测法
• 4.2.3 非平衡M-Z干涉仪检测法
• 4.2.4 应用阵列波导光栅的分布式光纤光栅的快速解调法
• 4.3 分布式光纤光栅传感解调方案
• 4.4 本章小结
• 5 光电信号检测电路及信号处理电路的设计
• 5.1 光电信号检测电路的设计
• 5.1.1 光电探测器
• 5.1.2 主放大器
• 5.1.3 低通滤波电路
• 5.1.4 完整的光电信号检测电路设计
• 5.2 可调光纤F-P滤波器扫描电路设计
• 5.3 信号处理电路
• 5.3.1 信号处理方案
• 5.3.2 信号的采集
• 5.3.3 LED显示电路
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文